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從接地系統(tǒng)的一個(gè)小問題入手，掌握最全的接地知識(shí)！值得多看幾遍

文章出處：http://chinaagri.net/責(zé)任編輯：消防檢測儀器設(shè)備人氣：547發(fā)表時(shí)間：2020-08-06 15:50:19
提到接地系統(tǒng)，可以說一直是大部分弱電從業(yè)者的難點(diǎn)。一方面是接地系統(tǒng)更多用于強(qiáng)電中，另一方面在弱電實(shí)際工程中很多人接觸接地系統(tǒng)也不多。但是對于接地的原理我們應(yīng)該是要掌握的。
有人問：為什么回路電流走零線不走地線，而漏電流走地線不走零線，零線地線原理是什么？

如圖所示， 一直搞不清楚地線和零線的原理， 地線的兩端分別是什么，保護(hù)中性線的兩端是什么。漏電流為什么走的地線而回線的電流不走地線？
這個(gè)問題很有典型，對保護(hù)中性線錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)表述很到位，的確是許多人的認(rèn)知盲區(qū)。零線的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線。
先說答案：這個(gè)主題本身就是錯(cuò)的。要知道，保護(hù)中性線是中性線與地線的合并線，保護(hù)中性線包括了地線功能在內(nèi)。
那應(yīng)該怎么看？我們看圖1：
注意到圖1中還未出現(xiàn)保護(hù)中性線，只有三條相線L1/L2/L3，以及三條相線的中性線N。三條相線對N線的電壓均為220V，相線之間的電壓則為380V。
我們知道，交流電壓的表達(dá)式為：  ，
而交流電流的表達(dá)式為：  。
注意到一個(gè)事實(shí)，當(dāng)三相平衡時(shí)，中性線總線上的電壓和電流有如下特性：
在圖1中，具有此特性的只有標(biāo)注了N字樣的中性線總線，而中性線支線是不具有此特性的。
對于中性線支線來說，流過中性線的電流與相線電流大小相等方向相反。
我們再來看圖1。圖1中的中性線發(fā)生了斷裂，于是在斷裂點(diǎn)的前方，中性線的電壓依舊為零，但斷裂點(diǎn)的后方若三相平衡時(shí)，它的電壓為零；但若三相不平衡，則斷裂點(diǎn)后方的中性線電壓會(huì)上升，最高會(huì)升到相電壓。
事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)，只要三相不平衡，盡管中性線并未斷裂，但中性線的電壓也會(huì)上升。

弱電產(chǎn)品精選弱電CAD圖標(biāo)圖例系統(tǒng)圖等

我們看圖2和圖3：
 
圖2中，在變壓器的中性點(diǎn)做了接地，此接地在國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，被稱為系統(tǒng)接地。注意，這里的接地符號(hào)是接大地的意思。
系統(tǒng)接地的意義有兩個(gè)：
第一個(gè)意義：系統(tǒng)接地使得變壓器的中性線的電位被強(qiáng)制性地鉗制在大地的零點(diǎn)位；
第二個(gè)意義：給系統(tǒng)的接地電流提供了一條通道；
值得注意的是：圖2中的N線因?yàn)橛辛斯ぷ鹘拥?，所以它的符?hào)也變了，變成PEN，也就是題主主題中的保護(hù)中性線。
保護(hù)中性線在這里，保護(hù)優(yōu)先于中性線功能。
通過前面的論述我們已經(jīng)知道，若保護(hù)中性線斷裂，由于保護(hù)性中性線具有中性線功能，所以斷裂點(diǎn)后部的保護(hù)性中性線電壓可能會(huì)上升。
事實(shí)上，保護(hù)性中性線斷裂點(diǎn)后部的由電壓完全由下式?jīng)Q定：
可以看出，如果、和 各不相同，則三相電壓就不平衡，保護(hù)性中性線電壓當(dāng)然也不等于零。
同理，我們可以看到保護(hù)性中性線斷裂點(diǎn)后部的電流也與三相不平衡有關(guān)。
再看圖3，我們發(fā)現(xiàn)保護(hù)性中性線PEN中采取多點(diǎn)接地的方法，以避免出現(xiàn)保護(hù)性中性線斷裂點(diǎn)后部電壓上升的情況。
注意哦，圖2對應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C，而圖3對應(yīng)的接地系統(tǒng)叫做TN-C-S。
看到現(xiàn)在，我們可以回答問題了。
我們來看圖4：
零線的準(zhǔn)確名稱是保護(hù)中性線
圖4中，變壓器中性點(diǎn)接地，而用電設(shè)備的外殼直接接地。
正常運(yùn)行時(shí)，我們看到，用電設(shè)備的外殼根本就不會(huì)有任何電流流過。
現(xiàn)在，我們來分析L3相對用電設(shè)備的外殼發(fā)生碰殼事故的情況。
我們首先遇見的是外殼接地電阻有多大這個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB50054《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中，把外殼接地后的電阻以及地網(wǎng)電阻合并叫做接地極電阻，并規(guī)定它的值不得大于4歐。但在工程上，一般認(rèn)為接地極電阻為0.8歐。
其次，我們需要知道保護(hù)性中性線電纜的電阻是多少。這個(gè)值可以根據(jù)具體線路參數(shù)來考慮。方便起見，不妨先規(guī)定這條保護(hù)性中性線電纜的長度是100米，電纜芯線截面是16平方毫米，它的工作溫度是30攝氏度，則它的電阻為：
有了這兩個(gè)數(shù)據(jù)，我們就可以來進(jìn)行實(shí)際計(jì)算了。
我們看圖4的下圖，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)L3相對用電設(shè)備的外殼短路時(shí)，保護(hù)性中性線中有電流流過，地網(wǎng)中也有電流流過。
注意到保護(hù)性中性線電阻和地網(wǎng)電阻其實(shí)是并聯(lián)的，按照中學(xué)的電學(xué)物理知識(shí)，我們知道并聯(lián)電路的電流與電阻的阻值成反比，也即：
 。
由此推得：
----------------式1
由式1我們看到，地網(wǎng)電流與保護(hù)性中性線電阻和地網(wǎng)電阻的比值有關(guān)。我們把接地極電阻按4歐取值，把具體參數(shù)代入，得到地網(wǎng)電流為：
 。
即便我們按工程慣例接地極電阻取為0.8歐，得到地網(wǎng)電流為： 
 。
也就是說，地網(wǎng)電流只相當(dāng)于保護(hù)性中性線電流的3%~15%而已！我們?nèi)橹虚g值，則地網(wǎng)電流只有保護(hù)性中性線電流的6%。
現(xiàn)在，我來提個(gè)問題：
用電設(shè)備的外殼發(fā)生碰殼故障后，地網(wǎng)電流如此之小，與保護(hù)性中性線電流相比，幾乎可以忽略不計(jì)，那么用電設(shè)備的外殼帶電將長期存在。如此一來，必然會(huì)出現(xiàn)人身傷害事故。
那么，在實(shí)際接線中，我們是如何來保護(hù)人身安全的？
提示：這個(gè)問題的涉及面有點(diǎn)廣，與低壓配電網(wǎng)的接地形式有關(guān)，與用電設(shè)備的保護(hù)接零及保護(hù)接地有關(guān)，與TN-C系統(tǒng)下到底采用斷路器保護(hù)還是采用漏電開關(guān)保護(hù)也有關(guān)。
解答：從以上描述中我們看到，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，地網(wǎng)電流很小，根本不足以推動(dòng)斷路器或者熔斷器執(zhí)行保護(hù)。怎么辦呢？
國際電工委員會(huì)IEC提出了解決方案，這就是接地系統(tǒng)。
在具體描述之前，我們先明確幾個(gè)概念：
第一個(gè)概念，什么叫做系統(tǒng)接地或者工作接地？
系統(tǒng)接地（工作接地））指的是電力變壓器中性點(diǎn)接地，用T來表示，沒有就用I來表示。
第二個(gè)概念，什么叫做保護(hù)接地？
保護(hù)接地指的是用電設(shè)備的外殼直接接地，用T表示。若外殼接到來自電源的保護(hù)性中性線或者地線，則用N表示。
第三個(gè)概念，什么叫做接地形式？
接地形式有三種，分別是TN、TT和IT。TN下又分為TN-C、TN-S和TN-C-S。
知曉這幾個(gè)概念后，我們來看看IEC給出的有關(guān)TN-C和TT系統(tǒng)的原圖。注意，這兩幅圖是不容置疑的，是有關(guān)接地系統(tǒng)的權(quán)威解釋。
第一幅圖：TN-C接地系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)
由于電路中有系統(tǒng)接地，但負(fù)載外殼沒有直接接地，而是通過保護(hù)性中性線PEN間接接地，所以該接地系統(tǒng)叫做TN-C。
圖中左上角就是變壓器低壓側(cè)繞組，我們看到它引出了三條相線L1/L2/L3和一條PEN保護(hù)性中性線。注意到保護(hù)性中性線的左側(cè)有兩次接地，第一次在變壓器的中性點(diǎn)，這叫做系統(tǒng)接地，第二次在中間某處，叫做重復(fù)接地。重復(fù)接地的意義就是防止保護(hù)性中性線斷裂后其后部保護(hù)性中性線的電壓上升。
值得注意的是負(fù)載。我們看到中間的負(fù)載PEN首先引到外殼，然后再引到保護(hù)性中性線接線端子。這說明，保護(hù)性中性線PEN是保護(hù)優(yōu)先的。
值得注意的是：我們在前面已經(jīng)描述過了，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，流經(jīng)地網(wǎng)的電流實(shí)際上只有N線電流的6%左右。因此，TT系統(tǒng)下發(fā)生的單相接地故障電流相對TN要小得多。
有了接地系統(tǒng)的解釋，我們就可以回答問題了。
1.需要適當(dāng)?shù)胤糯蠼拥仉娏?/span>
適當(dāng)?shù)胤糯蠼拥仉娏鳎沟糜秒娫O(shè)備的前接斷路器可以執(zhí)行過電流保護(hù)操作，這就是具有大接地電流的TN系統(tǒng)。
2.加裝漏電保護(hù)裝置RCD。
我們來看圖5：
圖5中，我們看到變壓器的中性點(diǎn)直接接地，然后分開為N和PE，并且PE一直延伸到負(fù)載側(cè)并接到用電設(shè)備的外殼上。所以，此接地方式屬于TN-S接地系統(tǒng)。
當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生碰殼事故后，PE線的電阻當(dāng)然小于地網(wǎng)電阻，并且PE的最前端還與N線相連，接地電流被放大到接近相對N的短路電流，則距離用電設(shè)備最近的上游斷路器會(huì)執(zhí)行過電流跳閘保護(hù)。
圖5中，我們還看到從二級(jí)配電用四芯電纜引了三條相線和N線到負(fù)載側(cè)，PE線被切斷了，而用電設(shè)備的外殼直接接地。于是當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生碰殼事故后，接地電流只能通過地網(wǎng)返回電源。此接地方式屬于TN-S下的TT接地系統(tǒng)。
由于TT下通過地網(wǎng)的接地電流很小，所以IEC和國家標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了必須安裝漏電保護(hù)裝置RCD。
RCD的原理如下：
未發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相電流合并N線電流后的相量和為零。當(dāng)發(fā)生漏電后，某相電流會(huì)增加，并且漏電流經(jīng)過地網(wǎng)返回電源，則N線電流依然與先前一致。于是，零序電流互感器的磁路中會(huì)出現(xiàn)磁通，其測量繞組中當(dāng)然會(huì)出現(xiàn)電流，并驅(qū)動(dòng)檢測和控制部件使得前接斷路器執(zhí)行漏電保護(hù)動(dòng)作。
RCD的動(dòng)作電流可以在30毫安以下，有效地保護(hù)了人身安全。
這篇文章信息量比較大，但都是接地系統(tǒng)經(jīng)典理論的實(shí)際應(yīng)用，值得收藏多讀幾遍！
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此文關(guān)鍵字：從接地系統(tǒng)的一個(gè)小問題入手，掌握最全的接地

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